去年,，消費者購買了十億多部手機,，2.2億臺筆記本電腦，1.4億只MP3,，9千萬數(shù)碼相機(DSC)以及1千萬套個人導(dǎo)航設(shè)備(PND),。依據(jù)內(nèi)部系統(tǒng)架構(gòu)來說，所有的這些設(shè)備都有一定的共性,。首先,，它們都是由電池供電的，通常都是利用某種鋰離子電池(Li-Ion)作為主電源,，而利用另一個輸入電源作為備份或者為了充電,。其次,，它們都內(nèi)置了一定的存儲設(shè)備，通常包括某種ROM,、RAM或NAND閃存,，而在許多時候還有一個硬盤(HDD)或SDIO卡。根據(jù)技術(shù)調(diào)查機構(gòu)IDC的最新研究,，去年全世界共生產(chǎn)了1610億GB的數(shù)字信息,。這相當(dāng)于需要用20億臺iPod來存儲這些信息。
但是,，上面沒有提及的另一類產(chǎn)品,，就是將上述產(chǎn)品功能中的兩種甚至三種組合到一起的產(chǎn)品，如便攜式媒體播放器(PMP)或數(shù)字媒體廣播(DMB)產(chǎn)品,。這些產(chǎn)品也利用鋰離子電池作為主電源,，并具有很大的存儲容量。它們正在成為消費電子領(lǐng)域中的重要播放設(shè)備,。
PMP或DMB產(chǎn)品的一個關(guān)鍵優(yōu)點是他們都能播放MP3和MP4格式,。因此，利用一臺設(shè)備就可以欣賞來自DVD-CD或者從網(wǎng)站上下載的音樂和電影,。典型地,，設(shè)備的存儲媒質(zhì)可以存儲超過150小時的視頻或者1200小時的音樂。但是,，和其他任何依賴電池供電的手持設(shè)備相類似,，這些PMP設(shè)備的制造商面臨前所未有的壓力，他們必須將諸多的功能集成到體積和外形受限的結(jié)構(gòu)里,，同時還要提供更長的工作時間,。
由于絕大多數(shù)PMP都具備視頻播放和MP3播放的功能，內(nèi)部電路要求多個功率電平不等的低電壓軌,。其原因是很清楚的,，因為大多數(shù)數(shù)字大規(guī)模集成電路的工作電壓為1.5V或更低。同時,，存儲器和I/O所需電壓為2.5～3.3V,。于是，采用多負(fù)載點(POL)DC/DC變換器對來自鋰離子電池的電壓進行直接變換是不現(xiàn)實的,，系統(tǒng)設(shè)計師必須采用更多的集成方案,。
絕大多數(shù)電池供電的手持設(shè)備都利用一塊定制集成電路(ASIC)來處理電池充電、功率通道控制,、提供多路電源電壓,，以及保護功能(例如實際的輸出開路和精密的USB電流限制)等。采用這種方案的目的很明確,，就是可以用一枚器件來滿足所有的電源管理方面的需求,。不過,，這種方案也存在一些缺點。首先,，ASIC是采用特定的晶圓制造工藝來制造的,，要實現(xiàn)每個功能的最佳性能非常困難。其次,，對于短動態(tài)設(shè)計周期的設(shè)計變得更為重要的是ASIC的定義和研發(fā)所導(dǎo)致的交貨周期過長,。一般來說，一塊電源管理ASIC從概念到交貨需要的時間在一年半以上,。而在此周期內(nèi),，一種特定的產(chǎn)品設(shè)計可能已經(jīng)更改了三次或更多。
用于電源管理的應(yīng)用定制標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品
絕大多數(shù)的電池供電的手持設(shè)備通?？梢杂靡粋€AC適配器,，一個通用串行總線(USB)，或者一塊鋰/聚合物電池來供電,，但是,，如何實現(xiàn)這些電源間的電源通道控制是一個很大的技術(shù)挑戰(zhàn)。直到最近,，設(shè)計師還在試圖利用分離的方式,，即用一組MOSFET以及運算放大器等來實現(xiàn)這一功能，但他們面臨著很大的問題,，如熱插拔和很大的瞬間電流等,，這些都會引起很大的系統(tǒng)問題。
在各類電池供電的手持設(shè)備中的功能和性能方面存在一定的共性,，這些產(chǎn)品中可以使用應(yīng)用定制標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品(ASSP),，且沒有在單晶圓制造工藝中出現(xiàn)的與IC制造相關(guān)的性能折衷。Linear公司最近開發(fā)出了新一代的這類產(chǎn)品-LTC3555,，該產(chǎn)品代表著這類應(yīng)用中的性能和功能上的一個新水平,。
LTC3555無縫地管理交流適配器，USB和鋰離子電池之間的功率流,，符合USB標(biāo)準(zhǔn)，所有部分均封裝在一個4×5mm QFN內(nèi),。似乎這還不足夠,，它還帶有一個全功能的鋰離子/聚合物電池充電器，能夠提供高達1.2A的充電電流,，再加上三個用來產(chǎn)生絕大多數(shù)USB外設(shè)所需的低電壓軌的高效率同步降壓轉(zhuǎn)換器,。此外，LTC3555還提供一個恒定的25mA的低壓差線性調(diào)節(jié)器來為實時時鐘(RTC)和低功率邏輯電路供電,。整個器件可以通過一個簡單的I2C接口或簡單的I/O口來控制,。
圖1：LTC3555的簡化方框圖和原理圖,。
LTC3555的應(yīng)用電路圖如圖1所示，圖中顯示了多功能的實現(xiàn)原理,。DC/DC變換是一個相對簡單的降壓變換,。LTC3555的三個片上降壓變換器都工作在電流模式控制，效率高達95%,，具有I2C或芯選觸發(fā)突發(fā)模式或自動的觸發(fā)突發(fā)模式,。DC/DC變換器的開關(guān)頻率為2.25MHz，允許使用很小的外部電容和電感,。這些降壓變換器的連續(xù)輸出電流分別為1A,，400mA和400mA，輸出電壓在0.8-3.6V之間可編程,。
LTC3555的功率提供方法與現(xiàn)有的電池和電源管理IC不同,，實際上是電荷饋送(charger-fed)系統(tǒng)。在一般的電源管理IC中,，外部電源并不直接為負(fù)載供電,。而是由AC適配器或USB口為電池充電，然后再為負(fù)載供電,。在電池被過度放電或根本就沒有任何電量的情況下,，為負(fù)載供電會有一個延遲。這是因為電能無法直接從電池取走,，直到電池獲得了所需的最少量的電荷后方可,。使用LTC3555后，就可以消除該延遲,，只要墻體適配器或USB一插上就可以立即為手持設(shè)備供電,。此外，芯片可以取走負(fù)載未用的功率,，并用它為電池充電,。
這兩個優(yōu)點(即省去了充電延遲以及同時充電和為負(fù)載供電)延長了有效的工作時間，并且在連接到USB時加速充電,。這種電源管理技術(shù)的另一個優(yōu)點是提高了使用效率,，只要有AC或USB電源即可。這種情況下,，可以省去不需要的變換級(用于電池充電),。
高效率開關(guān)電源通道控制器
與有一個線性電源通道控制器的上一代產(chǎn)品LTC3455不同，LTC3555有一個高效率的開關(guān)模式電源通道控制器,。專門為USB應(yīng)用而設(shè)計,，LTC3555的電源通道控制器整合了一個精密平均輸入遞降開關(guān)調(diào)節(jié)器，這樣可以最大限度地利用可用的USB功率。因為電能被保存,，LTC3555允許VOUT上的負(fù)載電流超過USB口吸取的電流,，但不超過USB負(fù)載規(guī)范的要求。電源通道開關(guān)調(diào)節(jié)器與電池充電器相互通信以確保輸入電流不會超過USB的指標(biāo)限制,。更進一步,，從BAT到VOUT之間的理想二極管保證了功率可以始終送到VOUT，即便是沒有足夠的功率或者在VBUS上根本就沒有電源的情況下也是如此,。
圖2：LTC3555電源通道方框圖,。
當(dāng)VBUS可用時并且電源通道開關(guān)調(diào)節(jié)器激活時，就可以通過SW將電源從VBUS送到VOUT(見圖2),。VOUT驅(qū)動外部負(fù)載(圖1中的開關(guān)調(diào)節(jié)器1,，2和3)和電池充電器組成的混合負(fù)載。如果混合負(fù)載沒有超過電源通道開關(guān)調(diào)節(jié)器的編程輸入電流限制,，VOUT將跟蹤0.3V(電池電壓以上),。通過保持電池充電器上的電壓為低，效率被優(yōu)化,，因為損失到線性電池充電器上的功率被減到了最小,，其結(jié)果是送到負(fù)載上的可用功率被優(yōu)化。
如果VOUT的混合負(fù)載足夠大,，能引起開關(guān)電源達到編程輸入電流的限制值,，電池充電器將充電電流降低所需的量，以滿足外部負(fù)載需求的值,。即使電池電流被設(shè)置得超過了允許的USB電流,，也不會超過USB規(guī)范，因為開關(guān)調(diào)節(jié)器會始終限制平均輸入電流,，以確保不會出現(xiàn)這種情況,。進一步說，VOUT上的負(fù)載電流始終是優(yōu)先的,，只有剩余的功率才被用來對電池充電,。
如果電池電壓低于3.3V，或者電池不存在,，而且負(fù)載的需求不會引起開關(guān)調(diào)節(jié)器超過USB規(guī)范的要求,，VOUT將會降到一個位于3.6V與電池電壓之間的某個值上。如果電池不存在,，而負(fù)載有超過了可用的USB功率,，VOUT將會跌落到地電平。
LTC3555內(nèi)含一個理想二極管(見圖2),，還有一個用于一個可選的外部理想二極管的控制器。該理想二極管控制器始終處于接通狀態(tài)，從而在VOUT低于電池電壓時將快速響應(yīng),。如果負(fù)載電流增加到超過了開關(guān)調(diào)節(jié)器所允許的功率,，將會通過理想二極管從電池吸取功率。此外,，如果到VBUS(USB或墻體適配器)的功率被拔掉,，則所有的應(yīng)用功率將都經(jīng)過理想二極管由電池提供。從輸入功率到電壓為VOUT的電池功率的轉(zhuǎn)換非?？?，只允許使用一個3uF的電容器來避免VOUT下降。實現(xiàn)這一點是可能的,，因為該理想二極管中包括一個精密放大器,，當(dāng)VOUT上的電壓比電池電壓低大約15mV(VFWD)時，放大器啟動一個大功率的片上P溝道MOSFET晶體管,。內(nèi)部理想二極管的電阻大約為180mΩ,，利用一顆外部電阻，該值可以減小到50mΩ,。
很清楚,，對于電池供電的手持設(shè)備的設(shè)計師來說，有許多選項來確保電池壽命對于其特定的應(yīng)用來說是最優(yōu)化的,。一個性能最優(yōu)的,、多功能的ASSP能夠提供實現(xiàn)最佳系統(tǒng)功能所需的電壓或功率電平，同時確保在正常工作時電池的漏功率減到最小,。